蒲文學(xué), 范光第, 朱建建, 趙國(guó)山
(中石化經(jīng)緯有限公司勝利定向井公司, 山東東營(yíng) 257064)
定向井和水平井廣泛采用無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)井眼軌跡,但大多數(shù)無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀是磁性測(cè)斜儀,其原理是利用井下儀器中的3個(gè)重力加速度計(jì)和3個(gè)磁通門分別測(cè)量重力分量和磁通密度分量,計(jì)算得到井斜角和方位角等井眼軌跡參數(shù)[1]。由于鉆井過(guò)程中使用的鉆桿、鉆鋌等均為鐵磁材料,鐵磁材料被外界磁場(chǎng)磁化后會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng),使其周圍地磁場(chǎng)發(fā)生變化,導(dǎo)致磁性隨鉆測(cè)斜儀測(cè)量的地磁場(chǎng)分量失真,計(jì)算的方位角出現(xiàn)偏差,影響正常定向施工[2]。為避免鐵磁鉆具對(duì)磁性隨鉆測(cè)斜儀產(chǎn)生干擾,需要將其放置在無(wú)磁鉆具中,但截至目前針對(duì)無(wú)磁鉆具長(zhǎng)度選取的理論研究較少。M.K.Russell等人[3–5]研究認(rèn)為,當(dāng)無(wú)磁鉆具長(zhǎng)度大于 3.05 m時(shí),鐵磁鉆具被磁化后產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)在徑向上對(duì)儀器的干擾可以忽略不計(jì)。韓志勇等人[6–9]將鐵磁鉆具用一個(gè)集中當(dāng)量代替,并假設(shè)磁性隨鉆測(cè)斜儀上下兩端鐵磁鉆具的磁極強(qiáng)度,根據(jù)兩端鐵磁鉆具對(duì)測(cè)量?jī)x器作用力之和最小,計(jì)算出磁性隨鉆測(cè)斜儀處于無(wú)磁鉆具中的位置。無(wú)磁鉆具選取過(guò)長(zhǎng),會(huì)增加鉆井成本,也會(huì)導(dǎo)致儀器測(cè)量點(diǎn)距離鉆頭較遠(yuǎn),給井眼軌跡預(yù)測(cè)帶來(lái)一定難度;無(wú)磁鉆具選取過(guò)短,則不能有效避免磁干擾。針對(duì)上述問(wèn)題,筆者利用ANSYS有限元軟件,模擬研究了磁性隨鉆測(cè)斜儀所需無(wú)磁鉆具的長(zhǎng)度,分析了井斜角、方位角、鐵磁鉆具壁厚和長(zhǎng)度等因素對(duì)無(wú)磁鉆具臨界長(zhǎng)度的影響,為現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)磁性隨鉆測(cè)斜儀所需無(wú)磁鉆具長(zhǎng)度的優(yōu)選提供了理論依據(jù)和參考。
現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中,無(wú)磁鉆具的上下兩端均接有鐵磁鉆具,鉆具整體上是以無(wú)磁鉆具為中心上下對(duì)稱。因此,建立鉆具幾何模型時(shí),將一定長(zhǎng)度的鉆具置于以空氣為介質(zhì)的均勻磁場(chǎng)中,只考慮上端或下端鐵磁鉆具的影響,如圖1所示。
圖1 鉆具幾何模型Fig.1 Geometric model of drilling tool
ANSYS有限元軟件的模擬分析包括建立分析模型、定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、施加邊界條件、求解計(jì)算和結(jié)果分析等[10–12]。需要建立的三維模型包括鉆具和空氣區(qū)域2部分[13](見圖2)??諝鈪^(qū)域模型用于在鉆具外部形成均勻強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境,即模擬井下均勻的地磁場(chǎng)。
圖2 有限元三維模型Fig.2 3D finite element model
采用磁標(biāo)量法分析該三維模型時(shí),選用SOLID96單元,該單元為8節(jié)點(diǎn)六面體,自由度只有標(biāo)量磁位(MAG)。磁標(biāo)量法中,外加磁場(chǎng)激勵(lì)和邊界條件均用標(biāo)量磁位來(lái)表示,當(dāng)標(biāo)量磁位不為零時(shí),表示有外加磁場(chǎng)[14]。采用該方法在模型上添加約束邊界條件,同時(shí)建立三維均勻強(qiáng)磁場(chǎng)。計(jì)算后,利用ANSYS有限元軟件中的后處理器,建立沿鉆具軸向的路徑,并將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換到磁性隨鉆測(cè)斜儀的三磁通門坐標(biāo)系中進(jìn)行對(duì)比分析,得到該條件下所需的無(wú)磁鉆具臨界長(zhǎng)度。
利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行模擬時(shí),不考慮鉆具接頭的影響,也不考慮方位修正角,方位角為鉆具與磁力線之間的夾角。模擬過(guò)程中,保持鉆具傾角(即井斜角)不變,選取不同方位角進(jìn)行模擬;或保持方位角不變,選取不同鉆具傾角(即井斜角)進(jìn)行模擬,計(jì)算得到不同條件下磁通密度的3個(gè)分量,通過(guò)對(duì)比分析得到鐵磁鉆具被磁化后沿軸向的最大影響值,該值的2倍即為該條件下所需無(wú)磁鉆具的臨界長(zhǎng)度。
模擬時(shí),選取現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常使用的?139.7 mm普通鐵磁鉆桿、?177.8 mm 普通鐵磁鉆鋌和?203.2 mm 普通磁鐵鉆鋌。井斜角選取具有代表性的0°,30°,60°和 90°,方位角選取具有代表性的 0°,30°,60°和90°??諝獾拇艑?dǎo)率 μ0=4π×10?7H/m;無(wú)磁鉆具的相對(duì)磁導(dǎo)率 μw=1;鐵磁鉆具的長(zhǎng)度為3~20 m,相對(duì)磁導(dǎo)率 μr=300;施加均勻磁場(chǎng)的磁傾角為0°,磁通密度B=50.0 μT。
由于地磁場(chǎng)的磁通密度是矢量[15–18],既有大小又有方向,因此判斷是否存在干擾時(shí),必須從這2個(gè)方面進(jìn)行分析。磁性隨鉆測(cè)斜儀的3個(gè)磁通門傳感器放置在3個(gè)相互正交的坐標(biāo)系中,判斷是否存在磁干擾時(shí),必須分析測(cè)得3個(gè)磁通密度分量的和是否與地磁場(chǎng)磁通密度相同。
ANSYS有限元軟件模擬過(guò)程中,由于3個(gè)坐標(biāo)軸的方向固定,只需要確定3個(gè)磁通密度分量是否穩(wěn)定唯一,就可以判斷是否存在磁干擾。以井斜角30°、方位角60°為例,得到3個(gè)磁通密度分量Bx,By和Bz沿鉆具軸向的變化曲線(見圖3,圖中的橫坐標(biāo)為無(wú)磁鉆具的某一點(diǎn)距鐵磁鉆具與無(wú)磁鉆具連接點(diǎn)的長(zhǎng)度)。
圖3 磁通密度分量沿鉆具軸向的變化Fig.3 Magnetic flux density component variation along the axial direction of drilling tool
由圖3可知:無(wú)磁鉆具與鐵磁鉆具的距離小于1.00 m時(shí),3個(gè)磁通密度分量變化劇烈,且沒(méi)有規(guī)律性;與鐵磁鉆具的距離為1~4 m時(shí),磁通密度徑向分量Bx由 40.01 μT 逐漸增至 42.99 μT,磁通密度徑向分量By由 14.17 μT 逐漸減至 12.57 μT,磁通密度軸向分量Bz由?25.09 μT 逐漸增至?21.74 μT;與鐵磁鉆具的距離大于4 m時(shí),3個(gè)磁通密度分量保持不變。因此,在該條件下,鐵磁鉆具沿軸向的最大影響范圍為4 m。由于無(wú)磁鉆具上下兩端均接有鐵磁鉆具,故磁性隨鉆測(cè)斜儀所需無(wú)磁鉆具的臨界長(zhǎng)度為8 m。如果3個(gè)磁通密度分量穩(wěn)定到某一值所需要的無(wú)磁鉆具長(zhǎng)度不一致,則取最大值作為鐵磁鉆具產(chǎn)生軸向磁干擾的范圍。
2.2.1 井斜角
保持方位角不變,計(jì)算不同井斜角條件下的3個(gè)磁通密度分量,分析井斜角對(duì)無(wú)磁鉆具臨界長(zhǎng)度的影響,得到不同井斜角條件下的無(wú)磁鉆具臨界長(zhǎng)度(見圖4)。
圖4 井斜角對(duì)臨界長(zhǎng)度的影響Fig.4 Influence of the inclination angle on critical length
由圖4可知,磁性隨鉆測(cè)斜儀所需無(wú)磁鉆具的臨界長(zhǎng)度為6~8 m,且沒(méi)有隨著井斜角變化而發(fā)生明顯變化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn),鐵磁鉆具對(duì)方位角測(cè)量誤差的影響隨著井斜角增大而增大,井斜角越大,所需的無(wú)磁鉆具越長(zhǎng),但ANSYS有限元軟件的模擬結(jié)果并沒(méi)有體現(xiàn)這一規(guī)律。
2.2.2 方位角
保持井斜角不變,分別計(jì)算不同方位角條件下的3個(gè)磁通密度分量,分析方位角變化對(duì)無(wú)磁鉆具臨界長(zhǎng)度的影響,得到不同方位角條件下無(wú)磁鉆具的臨界長(zhǎng)度(見圖5)。
圖5 方位角對(duì)臨界長(zhǎng)度的影響Fig.5 Influence of the azimuth angle on critical length
由圖5可知,磁性隨鉆測(cè)斜儀所需無(wú)磁鉆具的臨界長(zhǎng)度為6~8 m,且未隨著方位角的變化發(fā)生明顯變化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn),不同方位角條件下鐵磁鉆具對(duì)方位角測(cè)量誤差的影響不同,井眼軌跡方位越靠近南北方向(即方位角為0°或180°),鐵磁鉆具對(duì)磁性測(cè)斜儀的影響越??;井眼軌跡方位越靠近東西方向(即方位角為90°或270°),鐵磁鉆具對(duì)磁性測(cè)斜儀的影響越大。但是,ANSYS有限元軟件的模擬結(jié)果并沒(méi)有體現(xiàn)這一規(guī)律。
2.2.3 鐵磁鉆具壁厚
選取現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)經(jīng)常使用的3種鐵磁鉆具,鉆具 1 為?139.7 mm 鐵磁鉆桿(壁厚 25.4 mm),鉆具2 為?177.8 mm 鐵磁鉆鋌(壁厚 53.2 mm),鉆具 3 為?203.2 mm 鐵磁鉆鋌(壁厚 65.8 mm),并選取不同井斜角和方位角,模擬分析鐵磁鉆具壁厚對(duì)無(wú)磁鉆具臨界長(zhǎng)度的影響,結(jié)果如圖6所示。
圖6 鐵磁鉆具壁厚對(duì)臨界長(zhǎng)度的影響Fig.6 Influence of the thickness of the ferromagnetic drilling tool on critical length
由圖6可知,隨著鐵磁鉆具壁厚增大,磁性隨鉆測(cè)斜儀所需無(wú)磁鉆具的臨界長(zhǎng)度增大,即鐵磁鉆具壁厚增大,其產(chǎn)生的磁干擾范圍也擴(kuò)大。
2.2.4 鐵磁鉆具長(zhǎng)度
現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中,無(wú)磁鉆具上端承接的鐵磁鉆具長(zhǎng)度達(dá)幾千米,其下端掛接的鐵磁鉆具長(zhǎng)度也接近20 m。為了進(jìn)一步模擬分析鐵磁鉆具長(zhǎng)度對(duì)磁性隨鉆測(cè)斜儀所需無(wú)磁鉆具臨界長(zhǎng)度的影響,選取井斜角為30°、方位角為30°,鐵磁鉆具分別為?139.7 mm 鉆桿、?177.8 mm 鉆鋌和?203.2 mm 鉆鋌,其長(zhǎng)度為3~20 m,模擬結(jié)果如圖7所示。
由圖7可知,隨著鐵磁鉆具長(zhǎng)度增大,其軸向磁干擾影響范圍也在增大。鐵磁鉆具長(zhǎng)度由3 m增至13 m時(shí),磁性隨鉆測(cè)斜儀所需無(wú)磁鉆具的臨界長(zhǎng)度迅速增大;鐵磁鉆具長(zhǎng)度大于13 m時(shí),無(wú)磁鉆具的臨界長(zhǎng)度基本不變。這說(shuō)明鐵磁鉆具的軸向磁干擾影響范圍并未隨其長(zhǎng)度增加而增大,3種鐵磁鉆具沿軸向的最大影響范圍分別為3.25,5.25和6.50 m,即3種鐵磁鉆具條件下磁性隨鉆測(cè)斜儀所需無(wú)磁鉆具的臨界長(zhǎng)度分別為6.50,10.50和13.00 m。
圖7 鐵磁鉆具長(zhǎng)度對(duì)臨界長(zhǎng)度的影響Fig.7 Influence of the length of ferromagnetic drilling tool on critical length
模擬分析結(jié)果表明,井斜角、方位角與所需無(wú)磁鉆具的臨界長(zhǎng)度不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。這種現(xiàn)象與現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)相矛盾,為此進(jìn)行了探討分析。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn),當(dāng)井眼軌跡方位角為90°或者270°時(shí),測(cè)量得到方位角的準(zhǔn)確度降低。同時(shí),隨著井斜角增大,方位角的偏差增大,因此需要增大無(wú)磁鉆具長(zhǎng)度,減小方位角偏差。磁性隨鉆測(cè)斜儀的測(cè)量原理是,通過(guò)安裝在其內(nèi)部的重力加速度計(jì)和磁通門傳感器測(cè)得重力加速度分量gx,gy,gz和磁通密度分量Bx,By,Bz, 其中x軸 和y軸為鉆具的徑向,z軸為鉆具的軸向。利用上述6個(gè)分量及其之間的幾何關(guān)系,得到方位角計(jì)算公式:
式中:α為井斜角,(°);φ為方位角,(°);?為高邊工具面角,(°);Bm為干擾磁場(chǎng)軸向磁通密度,μT。
在沒(méi)有任何磁干擾的情況下,Bm為0。當(dāng)井眼軌跡方位角為90°或270°時(shí),井眼軌跡方向與地磁場(chǎng)的磁力線基本處于垂直狀態(tài),因此鉆具軸向磁通門傳感器測(cè)得磁通密度軸向分量Bz非常小,當(dāng)其受到較小干擾時(shí),即會(huì)對(duì)方位角產(chǎn)生較大影響。同時(shí),從式(1)可以看出,因?yàn)榇磐芏容S向分量Bz與井斜角的正弦值相乘,當(dāng)井斜角增大時(shí),其正弦值也增大,導(dǎo)致磁通密度軸向分量Bz的影響增大,如果此時(shí)存在干擾磁場(chǎng),則干擾磁場(chǎng)軸向磁通密度Bm對(duì)方位角產(chǎn)生的影響增大。因此,這種分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)基本一致。
為了更加直觀地解釋這種現(xiàn)象,通過(guò)構(gòu)造模擬數(shù)據(jù)分析上述情況?,F(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中,鉆具長(zhǎng)達(dá)幾千米,而鉆具的內(nèi)外徑尺寸相對(duì)較小,因此可認(rèn)為鉆具是軸線對(duì)稱。同時(shí),磁性隨鉆測(cè)斜儀器放置在無(wú)磁鉆具中,上下兩端鐵磁鉆具相對(duì)于儀器中的測(cè)量傳感器距離較遠(yuǎn),所以可認(rèn)為上下兩端鐵磁鉆具造成的干擾磁場(chǎng)是沿鉆具軸線方向。因此,在模擬磁干擾時(shí),可以忽略徑向磁干擾,只考慮軸向磁干擾的影響,即所測(cè)磁通密度徑向分量是準(zhǔn)確的。取干擾磁場(chǎng)軸向磁通密度Bm=10.0 μT,大地磁場(chǎng)磁通密度B=53.0 μT,磁傾角為 55°,計(jì)算不同井斜角、方位角下的方位角偏差,結(jié)果如圖8所示。
圖8 方位角偏差隨井斜角、方位角變化的規(guī)律Fig.8 Variation law for deviation of azimuth angle with well inclination angle and azimuth angle
圖8中的方位角偏差為實(shí)測(cè)方位角減去真實(shí)方位角,可見在存在軸向磁干擾的條件下,取某一真實(shí)方位角,計(jì)算不同井斜角下的方位角偏差,發(fā)現(xiàn)方位角偏差隨著井斜角增大而增大。在同一井斜角條件下,真實(shí)方位角為0°~180°時(shí),方位角偏差為負(fù)值,即真實(shí)方位角大于實(shí)測(cè)方位角,方位角偏差先增大后減??;真實(shí)方位角為100°左右時(shí),方位角偏差達(dá)到最大;真實(shí)方位角為180°~360°時(shí),方位角偏差為正值,即真實(shí)方位角小于實(shí)測(cè)方位角,方位角偏差先增大后減??;真實(shí)方位角為260°時(shí),方位角偏差達(dá)到最大。
上述模擬結(jié)果表明,當(dāng)干擾磁場(chǎng)軸向磁通密度不變時(shí),模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)一致,但出現(xiàn)這種情況的前提條件是干擾磁場(chǎng)軸向磁通密度不變,此時(shí)方位角偏差隨井斜角、方位角變化而變化。即磁通密度軸向分量越小,干擾磁場(chǎng)不變情況下產(chǎn)生的影響越大,通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到的方位角偏差越大;井斜角越大,干擾磁場(chǎng)不變情況下產(chǎn)生的影響越大,通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到的方位角偏差也越大。但在ANSYS有限元軟件模擬過(guò)程中,鐵磁鉆具所產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)的影響范圍隨其與無(wú)磁鉆具距離增大而減小,當(dāng)兩者距離大于4 m以后,感應(yīng)磁場(chǎng)的影響基本可以忽略,即Bm為0,因此未表現(xiàn)出與現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)相似的規(guī)律。
樁海26-斜X井是勝利油田部署的一口探井,設(shè)計(jì)井斜角 26°,方位角 99°,完鉆井深 4 280.00 m。由于設(shè)計(jì)方位角基本接近東西方向,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn),需要較長(zhǎng)無(wú)磁鉆具為磁性隨鉆測(cè)斜儀提供足夠的無(wú)磁環(huán)境,盡可能減少干擾以提高方位角測(cè)量精度。因此,二開?241.3 mm井段施工過(guò)程中,采用鉆頭+動(dòng)力鉆具+浮閥+無(wú)磁鉆鋌×9.32 m+無(wú)磁懸掛器×4.50 m+無(wú)磁承壓鉆桿×9.45 m+加重鉆桿的鉆具組合,磁性隨鉆測(cè)斜儀放置在無(wú)磁懸掛器中,儀器測(cè)點(diǎn)距離下端浮閥10.82 m,距離上端加重鉆桿12.45 m。二開中完井深 3 709.00 m,中完前 100.00 m井段采用復(fù)合鉆進(jìn)方式,并未進(jìn)行定向施工,最后5組測(cè)斜數(shù)據(jù)見表1。從表1可以看出,復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)井斜角和方位角均減小。
表1 二開中完最后5組測(cè)斜結(jié)果Table 1 Inclination survey data at the last five points during the second section
三開?152.4 mm井段施工過(guò)程中,由于井眼尺寸變小,故更換測(cè)斜儀,鉆具組合為鉆頭+動(dòng)力鉆具+浮閥+無(wú)磁鉆鋌×9.12 m+無(wú)磁懸掛器×0.50 m+普通鉆鋌,儀器測(cè)點(diǎn)距離下端浮閥4.00 m,距離上端普通鉆鋌 5.62 m。下鉆到底復(fù)合鉆進(jìn)至井深 3 743.81 m,測(cè)點(diǎn) 3 730.83 m 處的井斜角為 22.99°、方位角為101.43°,儀器測(cè)點(diǎn)距離套管20.17 m,所測(cè)軌跡參數(shù)與設(shè)計(jì)基本一致,故認(rèn)為測(cè)量得到的軌跡參數(shù)準(zhǔn)確。同時(shí),井斜角和方位角均減小,符合井眼軌跡預(yù)測(cè)趨勢(shì)。三開鉆至井深3 974.00 m時(shí),隨鉆測(cè)斜儀出現(xiàn)問(wèn)題,無(wú)法查出原因,更換另一種隨鉆測(cè)斜儀,鉆具組合未改變,測(cè)點(diǎn)略有不同,下鉆到底復(fù)測(cè),井斜角和方位角與上一趟鉆所測(cè)結(jié)果一致。
對(duì)比該井的施工數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),雖然方位角基本接近東西向,但二開采用足夠長(zhǎng)無(wú)磁鉆具所測(cè)井眼軌跡參數(shù)與三開采用較短無(wú)磁鉆具所測(cè)結(jié)果基本一致。同時(shí),三開隨鉆測(cè)量?jī)x器的無(wú)磁環(huán)境為9.62 m,與ANSYS有限元軟件模擬得到的理論結(jié)果基本一致。但是,由于僅分析了一口井的測(cè)量數(shù)據(jù),并不能完全驗(yàn)證模擬結(jié)果,還需大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。
1)ANSYS軟件模擬結(jié)果表明,磁性隨鉆測(cè)斜儀所需無(wú)磁鉆具的長(zhǎng)度與井斜角和方位角沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)干擾磁場(chǎng)不變時(shí),模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)施工得出的結(jié)論一致。
2)隨著鐵磁鉆具長(zhǎng)度增大,其軸向磁干擾范圍增大,達(dá)到某一值后基本保持不變,該值的2倍即為磁性隨鉆測(cè)斜儀所需無(wú)磁鉆具的臨界長(zhǎng)度。
3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例數(shù)據(jù)分析表明,磁性隨鉆測(cè)斜儀所需無(wú)磁鉆具長(zhǎng)度的影響因素與施工經(jīng)驗(yàn)得出的結(jié)論并不一致,與ANSYS軟件模擬結(jié)果基本一致。
4)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中,建議根據(jù)不同鉆具組合選擇無(wú)磁鉆具的長(zhǎng)度,盡可能縮短儀器測(cè)點(diǎn)到鉆頭的距離,提高井眼軌跡的預(yù)測(cè)精度,同時(shí)降低無(wú)磁鉆具的使用成本。